程 竟，張彩娃

（中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

目前在有色行業(yè)礦山中，通常采用電磁流量計來檢測礦漿的流量，但由于電磁流量計本身的測量原理受鐵磁性物質(zhì)的影響，導(dǎo)致測量鐵磁性礦漿流量精度不高，偏差較大。但是礦漿的流量測量，在鐵礦選礦中是十分重要的。本文介紹了聲吶流量計的原理及其在鐵磁性礦漿流量測量中的應(yīng)用，有效地解決了鐵磁性礦漿流量的檢測。

1 流量計在礦漿檢測應(yīng)用上的比較

表1是對聲吶流量計和電磁流量計在鐵磁性礦漿流量測量的優(yōu)缺點比較。

表1 聲吶流量計與電磁流量計在鐵磁性礦漿流量測量中的比較Table 1 Comparison of sonar flowmeter and electromagnetic flowmeter in ferromagnetic slurry flow measurement

2 聲吶流量計的原理

聲吶流量計的傳感器由柔性壓電PVDF薄膜制成[2]，其沿流體流動的方向等距離包裹在管道周圍，組成線性應(yīng)變測量陣列。當(dāng)流體流動時會產(chǎn)生旋渦，旋渦通過安裝在管道外壁的傳感器陣列時，能夠測出每一個旋渦的聲學(xué)特征。由于傳感器陣列的間距是固定的，因而通過測量相同特征的同一旋渦分子流過傳感器的時間間隔，可以計算出旋渦的流速，進而得到流量。

圖1 聲吶流量計原理圖Fig.1 Schematic diagram of sonar flowmeter

如1圖所示，聲吶流量計的探頭是8個被動壓電轉(zhuǎn)換傳感器，通過CIDRA專利的聲吶陣列處理算法，得到渦流的平均軸向速度。測量步驟如下所示：

◇ 測量介質(zhì)的湍流對管道的內(nèi)壁產(chǎn)生了微小的壓力變化。

◇ 這種微小的壓力變化，使管道發(fā)生了微小的機械形變。

◇ 包裹在管道外壁的探頭（無需耦合劑）將形變量轉(zhuǎn)化為電信號。

◇ 通過聲吶陣列處理技術(shù)，將該電信號轉(zhuǎn)化為特有頻率和相位的特殊信號。

◇ 該信號被探頭上8個在軸向上相隔距離相同的探頭監(jiān)測到。

◇ 通過分析對應(yīng)的特有頻率和相位，得到對應(yīng)的介質(zhì)流速。

聲吶流量計分析的信號是頻率和波長的卷積，而通過分析波數(shù)（和波長成倒數(shù)的關(guān)系），可以確定其頻譜中包含的能量。

圖3 聲吶流量計現(xiàn)場安裝位置Fig.3 Site installation location of sonar flowmeter

圖4 現(xiàn)場波長和頻率的紅外圖像Fig.4 Infrared image of field wavelength and frequency

圖5 聲吶流量計流量趨勢圖Fig.5 Flow trend diagram of sonar flowmeter

其中：f是信號的頻率；U是通過探頭組時的流速；λ是波長。

而對整個范圍內(nèi)的波數(shù)進行分析時，這種能量分布圖可以稱之為 k-ω 模型（k=2π/λ and ω=2πf）。其中，X 軸定義為波數(shù)（1/λ），Y軸定義為頻率（f）。通過對之前的公式轉(zhuǎn)換可得到：

如圖2所示，該圖為儀表測量的原始圖像，能量集中的區(qū)域構(gòu)成了線性關(guān)系，而其斜率即為流速。如果線性關(guān)系好，則流量計的測量質(zhì)量系數(shù)越高。在儀表顯示時，V0代表測量質(zhì)量系數(shù)，范圍為0～1，該值越接近1，則表明測量效果越好。

圖2 聲吶流量計測量原始圖像Fig.2 Original image of sonar flowmeter measurement

3 聲吶流量計在磁性鐵礦選礦廠的應(yīng)用介紹

在磁性鐵礦選礦廠中，聲吶流量計安裝在旋流器的給礦管道以及旋流器的溢流管道上。

與電磁流量計類似，聲吶流量計的安裝也需要至少10倍管徑的直管段，但相比電磁流量計的安裝，聲吶流量計較為簡單，且不需要切割管道，安裝工作量也較小。

通過聲吶流量計變送器能夠獲得完整的測量數(shù)據(jù)信息，以下是安裝在旋流器給礦管道的聲吶流量計變送器中得到的測量數(shù)據(jù)圖。

從圖4中可以看出，通過紅外圖像分析可以看到流速（圖中虛線）測量時峰值能量的線性程度。峰值能量呈橘黃色，它的線性程度越高，則流量測量質(zhì)量系數(shù)越大，說明測量效果越好。

從圖5中可以看出，用聲吶流量計測量鐵礦漿的流量時，流量數(shù)據(jù)十分穩(wěn)定，流量值保持在835m3/h～859m3/h，與生產(chǎn)情況一致。

通過對聲吶流量計的檢測數(shù)據(jù)的分析可以看出，聲吶流量計非常適合測量帶有固體成分的礦漿，且完全不受鐵礦效應(yīng)的影響。

4 聲吶流量計的應(yīng)用特點

聲吶流量計在工業(yè)中的應(yīng)用，與其他流量計相比，有以下幾個特點：

1）聲吶流量計安裝簡單，不用切割管道，安裝時不影響生產(chǎn)。

2）無可動零件，無易損件，且探頭使用壽命長，維護量小，可靠性高，能保證生產(chǎn)的長期不間斷運行。

3）聲吶流量計可以檢測出礦漿中氣泡的百分比含量，通過修正，可以得出準確的礦漿流量以及校核礦漿的濃度。同時，通過礦漿中氣泡的百分比含量，可以判斷管道是否正常，泵空穴氣蝕等影響生產(chǎn)的現(xiàn)象。

4）聲吶流量計壓損小，量程范圍大，精度較高，在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、管壁內(nèi)結(jié)垢等影響。

5）聲吶流量計價格相比較其他流量計比較昂貴，一次性投資成本較高，但后期維護成本低。

5 結(jié)束語

聲吶流量計經(jīng)過了在實踐中不斷地實驗，驗證了聲吶流量計在鐵礦礦漿流量檢測中的可靠性。隨著智慧化礦山的不斷推進，為了能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)的無人化及智能化，儀表檢測將是智慧化礦山底層數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。